WO2011093179A1 - 圧電発電装置 - Google Patents

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bimorph
substrate
piezoelectric
power generation
piezoelectric power
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睦弘 堀口
秀和 大石橋
弘明 開田
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株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric power generation device, and more particularly to a piezoelectric power generation device for taking out electric power by converting kinetic energy into electrical energy using a piezoelectric element.
  • Patent Documents 1, 2, and 3 are known.
  • the piezoelectric substrate is supported in a cantilever state in which one end of the piezoelectric substrate is fixed and the other end is a free end and a mass is provided.
  • the piezoelectric substrate is made thinner toward the free end
  • Patent Document 2 the piezoelectric substrate is made thinner toward the free end.
  • Patent Document 3 describes a piezoelectric device that is configured in a so-called zigzag manner with continuous piezoelectric elements including a plurality of linear portions that are arranged parallel to each other and stacked.
  • the length of the cantilever is required to increase the amount of power generation, and the vibration space also becomes large. Inevitable.
  • the piezoelectric device described in Patent Document 3 can be reduced in size because it is a stacked structure, but if the amount of displacement increases, the piezoelectric body formed of a ceramic sintered body may break. This is because a ceramic sintered body inherently has a property of being weak against tensile stress.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric power generation apparatus that is small in size and can take out necessary electric power and can withstand a large displacement.
  • the piezoelectric power generation apparatus is In the piezoelectric power generator in which at least two plate-shaped bimorph vibrators are stacked in the thickness direction, and one end portions of the opposed bimorph vibrators are connected to each other.
  • Each of the bimorph vibrators includes a substrate having a plate shape having toughness, and a piezoelectric body bonded to the front and back surfaces of the substrate, One piezoelectric body extends from one end of the substrate toward the central portion and does not reach the other end, and the other piezoelectric body extends from the other end of the substrate toward the central portion and reaches one end. None It is characterized by.
  • the piezoelectric power generation apparatus is N plate-shaped bimorph vibrators are stacked in the thickness direction, and one end of the m-th stage (m is 1 to n-1) bimorph vibrator is connected to one end of the (m + 1) -th stage bimorph vibrator.
  • Each of the bimorph vibrators includes a substrate having a plate shape having toughness, and a piezoelectric body bonded to the front and back surfaces of the substrate, One piezoelectric body extends from one end of the substrate toward the central portion and does not reach the other end, and the other piezoelectric body extends from the other end of the substrate toward the central portion and reaches one end.
  • One piezoelectric body extends from one end of the substrate toward the central portion and does not reach the other end
  • the other piezoelectric body extends from the other end of the substrate toward the central portion and reaches one end.
  • each bimorph vibrating body has a piezoelectric body bonded to the front and back surfaces of a tough plate-like substrate, and the substrate sufficiently responds to displacement when an external force is applied.
  • the piezoelectric body bonded to the front and back surfaces of the substrate does not reach the other end or one end from the one end or the other end of the substrate and does not reach the other end or one end.
  • the piezoelectric body is usually formed of a ceramic sintered body, which is weak against tensile stress but sufficiently corresponds to compressive stress. This eliminates the possibility of the piezoelectric body being destroyed during operation.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram which shows the piezoelectric power generator which is 1st Example.
  • the bimorph vibrating body which comprises the said piezoelectric generator is shown, (A) is a front view, (B) is operation
  • the electrode structure of the said piezoelectric generator is shown, (A) is explanatory drawing of the front side, (B) is explanatory drawing of the back side.
  • the electrode structure of the said piezoelectric generator is shown, (A) is sectional drawing in the center part of a bimorph vibrating body, (B) is sectional drawing in the edge part of a bimorph vibrating body. It is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric power generator.
  • the bimorph vibrating body which comprises the piezoelectric electric power generating apparatus which is 2nd Example is shown, (A) is a plane expanded view, (B) is the sectional drawing. It is a schematic block diagram which shows the piezoelectric power generator which is 2nd Example. It is a plane development view showing a bimorph oscillating body which constitutes a piezoelectric power generator which is the 3rd example.
  • the 1st modification of a bimorph oscillating body is shown, (A) is a top view and (B) is a front view.
  • the 2nd modification of a bimorph oscillating body is shown, (A) is a top view and (B) is a front view.
  • the 3rd modification of a bimorph oscillating body is shown, (A) is a top view and (B) is a front view. It is a front view which shows the 4th modification of a bimorph vibrating body. It is explanatory drawing of the said 1st modification of a bimorph vibrating body. It is explanatory drawing of the said 4th modification of a bimorph vibrating body. It is a graph which shows the surface stress distribution in a bimorph vibrating body.
  • a plurality of plate-like bimorph vibrators 10 are stacked in the thickness direction, and bimorph vibrators 10 adjacent to each other in the thickness direction are alternately connected at the end on the same side. Or it is fixed.
  • a plurality of plate-like bimorph vibrators 10 are stacked in the thickness direction, and bimorph vibrators 10 adjacent to each other in the thickness direction are alternately connected at the end on the same side. Or it is fixed.
  • four plate-shaped bimorph vibrators 10 are stacked in the thickness direction, and the first-stage and second-stage and third-stage and fourth-stage bimorph vibrations are stacked.
  • the body 10 is connected or fixed to one end portion 10a via connecting members 21 and 23, and the second and third bimorph vibrators 10 are connected to each other end portion 10b via connecting member 22 or It is fixed. That is, this piezoelectric power generation device is formed by stacking a plurality (four) of bimorph vibrating bodies 10 in a zigzag manner.
  • a member 25 is fixed to the other end portion 10b of the first-stage bimorph vibrator 10, and this member 25 is a fixing portion of the piezoelectric power generation device.
  • the other end portion 10 b of the beam member 26 is connected or fixed to the other end portion 10 b of the fourth-stage bimorph vibrator 10 via the connecting member 27, and the weight 30 is connected to the beam member 26 via the member 27.
  • the weight 30 preferably has a shape surrounding the stacked bimorph vibrators 10 in order to effectively use the space, and is preferably made of a metal or ceramic having a high density.
  • each bimorph vibrating body 10 has piezoelectric bodies 12 and 13 bonded to the front and back surfaces of a substrate 11 having a tough plate shape.
  • the piezoelectric body 13 on the back surface does not extend from the other end of the substrate 11 toward the central portion and reaches one end. That is, the lengths L1 and L2 of the piezoelectric bodies 12 and 13 with respect to the total length L of the substrate 11 are in a relationship of L> L1 and L> L2.
  • the substrate 11 has a bending stiffness (Young's modulus ⁇ secondary moment of section) substantially equal to that of the piezoelectric bodies 12 and 13 and is made of a material having high toughness.
  • a metal material such as iron-nickel alloy, stainless steel, or brass is used. It is preferable.
  • the piezoelectric bodies 12 and 13 are made of a ceramic sintered body conventionally used and are polarized in opposite directions as indicated by arrows a and b.
  • the members 25 and 27, the beam member 26, and the connecting members 21 to 24 are arbitrary, but may be the same material as the substrate 11.
  • Piezoelectric bodies 12 and 13 made of a ceramic sintered body have sufficient resistance against this type of compressive stress and are immune from destruction. Further, since the bimorph vibrating body 10 having a plurality of strips is stacked in a zigzag manner, it is possible to take out the necessary electric power with a small size. In the zigzag folding structure, the weight of the bimorph vibrator 10 at the first stage and the weight of the bimorph vibrator 10 at the second stage or less are concentrated on the fixing member 25, and the weight of the bimorph vibrator 10 at the second stage is placed on the bimorph vibrator 10 at the second stage. 30 and the weight of the bimorph vibrator 10 in the third and lower stages are added. That is, the mass of the stacked portion itself can be used for power generation, and the power generation volume efficiency is improved.
  • the first embodiment since the first embodiment has a zigzag fold structure, it is possible to generate necessary power even with low frequency vibration.
  • the vibration frequency existing in nature is very low.
  • the vibration frequency associated with walking is several tens of Hz or less. Therefore, in the first embodiment, it can be suitably used as a power supply device for a pedometer.
  • Each bimorph vibrating body 10 takes out electric power from the electrodes 15 and 16 by providing the electrodes 15 and 16 on the piezoelectric bodies 12 and 13 bonded to the front and back of the substrate 11.
  • Each bimorph vibrating body 10 is provided with electrodes 15 and 16 on the front side and the back side as shown by hatching in FIGS. 3 (A) and 3 (B), and FIGS. 4 (A) and 4 (B).
  • the electrodes 15 and 16 extend on the surfaces of the piezoelectric bodies 12 and 13 and the surface of the substrate 11.
  • an insulating material 17 is interposed between the electrode 15 and the bimorph vibrating body 10.
  • the circuit formed by the electrodes 15 and 16 is as shown in FIG. 5, and is configured as an equivalent circuit in which the piezoelectric bodies 12 and 13 are connected in series. In addition, you may comprise as an equivalent circuit which connected each piezoelectric material 12 and 13 in parallel.
  • the piezoelectric power generation apparatus is piezoelectric on the front and back surfaces of one substrate 41 (material is the same as that of the first embodiment) constituting four bimorph vibrators.
  • the bodies 12 and 13 are joined at a predetermined interval, and the substrate 41 is bent at the portion indicated by the alternate long and short dash line to form the spelling folded structure shown in FIG.
  • the electrodes 15 and 16 are provided on the front and back surfaces of the substrate 41 so as to cover the surfaces of the piezoelectric bodies 12 and 13.
  • FIG. 6A the front electrode 15 is shown with hatching, and the back electrode 16 overlaps the front electrode 15 in a plan view.
  • the member 25 serving as a fixing portion is fixed to the upper end portion of the substrate 41, and the weight 30 is fixed to the lower end portion of the substrate 41 via the member 27.
  • the relationship between the length L of the substrate and the lengths L1 and L2 of the piezoelectric body in the bimorph vibrator as one unit is as described with reference to FIG.
  • one substrate 41 is bent at a plurality of locations, and as a result, basically the same zigzag folding structure as in the first embodiment is obtained. Therefore, the effect is the same as that of the first embodiment.
  • the circuit formed by the electrodes 15 and 16 is the same as the equivalent circuit shown in FIG.
  • the first-stage substrate portion 51a and the second-stage substrate portion 51b are continuous at one end portion.
  • the substrate portion 51b and the third-stage substrate portion 51c are continuous at the other end, and the third-stage substrate portion 51c and the fourth-stage substrate portion 51d are continuous at one end portion.
  • the substrate part 51d at the fourth stage and the beam part 51e for attaching the weight are continuous at the other end part.
  • the substrate 51 By bending the substrate 51 having such a configuration around the alternate long and short dash line at each continuous portion (the continuous portion is a mountain fold and the continuous portion is a valley fold), as a result, the first and second embodiments described above. And basically the same spelling fold structure.
  • the electrodes 15 and 16 are provided on the front and back surfaces of the substrate 51 so as to cover the surfaces of the piezoelectric bodies 12 and 13.
  • the front electrode 15 is indicated by hatching, and the back electrode 16 overlaps the front electrode 15 in a plan view.
  • the material of the substrate 51 is the same as that of the first embodiment, and the relationship between the length L of the substrate and the lengths L1 and L2 of the piezoelectric body in the bimorph vibrator as one unit is also referred to FIG. As explained.
  • one substrate 51 is bent at a plurality of locations, and as a result, basically the same zigzag folding structure as in the first embodiment is obtained. Therefore, the effect is the same as that of the first embodiment.
  • the circuit formed by the electrodes 15 and 16 is the same as the equivalent circuit shown in FIG.
  • the bimorph vibrating body 10 described above includes a substrate 11 and piezoelectric bodies 12 and 13 having a uniform width and a uniform thickness. However, you may use the bimorph vibrating body 10 of the shape shown below other than such a shape.
  • both side surfaces of the substrate 11 are linearly narrowed toward the central portion, and the piezoelectric bodies 12 and 13 are also directed toward the central portion along the side surface shape of the substrate 11. It is said to be narrow.
  • both sides of the substrate 11 are narrowed in a state of being curved toward the center portion, and the piezoelectric bodies 12 and 13 are also directed toward the center portion along the side surface shape of the substrate 11. And narrow.
  • the substrate 11 has a uniform width, and the thicknesses of the piezoelectric bodies 12 and 13 are gradually increased toward both ends.
  • the thickness of the substrate 11 is gradually increased toward both end portions, and the thicknesses of the piezoelectric bodies 12 and 13 are uniform.
  • the rigidity of the bimorph vibrating body 10 is relatively greater than that of the central portion at both end portions (in other words, the rigidity of the central portion is relatively small). To make up). Thus, when a vibration is applied to the substrate 11, a uniform stress is generated.
  • the second moment of section may be gradually reduced from both ends of the substrate to the center.
  • FIG. 13 shows a shape in which the width of the substrate 11 is gradually reduced from W to Wct toward the center.
  • FIG. 14 shows a shape in which the thickness of the substrate 11 is gradually reduced from T to Tct toward the center.
  • each layer (bimorph vibrating body 10) if it is a simple strip shape (no central aperture), as shown by a curve c in FIG. Stress) shows a stress distribution that becomes zero in the central portion, and the stress tends to concentrate on both end portions. Therefore, by making the stress at each point in the length direction of the substrate proportional to the moment of inertia of the cross section at that point, the stress can be made substantially equal to the length direction in each bimorph vibrator 10.
  • a curve d in FIG. 15 shows a stress distribution when a diaphragm is provided at the center as shown in FIG. As a result, the stress becomes substantially uniform in the power generation active region of the bimorph vibrator 10, and the power generation efficiency is improved.
  • the piezoelectric power generation device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the gist.
  • any number of bimorph vibrators can be stacked in a zigzag manner, and the shape of the details of the substrate and the piezoelectric body and the configuration of the electrodes are arbitrary. Moreover, you may comprise only two bimorph vibrating bodies. The power generation amount can be increased by juxtaposing a plurality of two bimorph vibrators connected and overlapped at one end.
  • the present invention is useful for piezoelectric power generators, and is particularly excellent in that it can be taken out of a small size and can take out necessary electric power and can withstand a large displacement.

Abstract

　小型で必要な電力を取り出すことができ、かつ、大きな変位に耐える圧電発電装置を得る。　複数の板状をなすバイモルフ振動体(10)をその厚み方向に重ねてつづら折り構造とした圧電発電装置。1段目と2段目及び3段目と4段目のバイモルフ振動体(10)は互いの一端部(10a)を連結部材(21,23)を介して連結又は固定され、2段目と3段目のバイモルフ振動体(10)は互いの他端部(10b)を連結部材(22)を介して連結又は固定されている。1段目のバイモルフ振動体(10)の他端部(10b)を固定部とし、4段目のバイモルフ振動体(10)の他端部(10b)は梁部材(26)を介して錘(30)が連結されている。それぞれのバイモルフ振動体(10)は、靭性を有する板状をなす基板(11)の表裏面に圧電体(12,13)が接合されており、表面の圧電体(12)は基板(11)の一端から中央部分に向かって延在して他端に達することはなく、裏面の圧電体(13)は基板の他端から中央部分に向かって延在して一端に達することはない。

Description

圧電発電装置
　本発明は、圧電発電装置、特に、圧電素子を利用して運動エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を取り出すための圧電発電装置に関する。
　従来、この種の圧電発電装置は蓄電装置などに電力を供給するために用いられており、例えば、特許文献１，２，３に記載のものが知られている。一般的には、圧電体基板の一端を固定し、他端を自由端として質量を設けた片持ち梁状態で支持している。特許文献１では、圧電体基板を自由端に向かって薄くしており、特許文献２では、圧電体基板を自由端に向かって幅細くしている。また、特許文献３には、互いに平行に配置されて積み重ねられた複数の直線部分を含む連続する圧電素子にて、いわゆるつづら折りに構成した圧電デバイスが記載されている。
　ところで、特許文献１，２に記載のような片持ち梁方式（カンチレバー型）の発電装置では、発電量を上げるにはカンチレバーの長さが必要であり、振動空間も大きくなるので、大型化が避けられない。特許文献３に記載の圧電デバイスでは、積み重ね構成なので小型化が可能ではあるが、変位量が大きくなると、セラミック焼結体で形成されている圧電体が割れるおそれがある。セラミック焼結体は本来的に引張り応力に弱いという性質を持っているからである。
特開平１０－５６７８４号公報 特開平１０－１７４４６２号公報 特許第４２２０９０１号公報
　そこで、本発明の目的は、小型で必要な電力を取り出すことができ、かつ、大きな変位に耐える圧電発電装置を提供することにある。
　本発明の第１の形態である圧電発電装置は、
　少なくとも２枚の板状をなすバイモルフ振動体をその厚み方向に重ね、対向するバイモルフ振動体の一端部を互いに連結した圧電発電装置において、
　前記それぞれのバイモルフ振動体は、靭性を有する板状をなす基板と、該基板の表裏面に接合された圧電体とからなり、
　一方の圧電体は前記基板の一端から中央部分に向かって延在して他端に達することはなく、他方の圧電体は前記基板の他端から中央部に向かって延在して一端に達することはないこと、
　を特徴とする。
　本発明の第２の形態である圧電発電装置は、
　ｎ枚の板状をなすバイモルフ振動体をその厚み方向に重ね、ｍ段目（ｍは１～ｎ－１）のバイモルフ振動体の一端部をｍ＋１段目のバイモルフ振動体の一端部に連結し、ｍ＋１段目のバイモルフ振動体の他端部をｍ＋２段目のバイモルフ振動体の他端部に連結した圧電発電装置において、
　前記それぞれのバイモルフ振動体は、靭性を有する板状をなす基板と、該基板の表裏面に接合された圧電体とからなり、
　一方の圧電体は前記基板の一端から中央部分に向かって延在して他端に達することはなく、他方の圧電体は前記基板の他端から中央部に向かって延在して一端に達することはないこと、
　を特徴とする。
　前記第１及び第２の圧電発電装置においては、複数の板状をなすバイモルフ振動体をその厚み方向に重ねてバイモルフ振動体の端部を互いに連結して積み重ねられているため、特に、第２の圧電発電装置では複数のバイモルフ振動体をいわばつづら折りに連結しているため、小型で必要な電力を取り出すことが可能である。それぞれのバイモルフ振動体は靭性を有する板状をなす基板の表裏面に圧電体が接合されており、該基板は外力が作用したときの変位に十分に対応する。しかも、基板の表裏面に接合した圧電体は基板の一端又は他端から中央部分に向かって延在して他端又は一端に達することはなく、基板が外力で変位した際には圧縮応力が作用する。圧電体は通常セラミック焼結体にて形成されており、引張り応力には弱いが圧縮応力には十分に対応する。従って、動作時に圧電体が破壊するおそれが解消される。
　本発明によれば、小型で必要な電力を取り出すことができ、かつ、大きな変位に耐える圧電発電装置を得ることができる。
第１実施例である圧電発電装置を示す概略構成図である。 前記圧電発電装置を構成するバイモルフ振動体を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は動作説明図である。 前記圧電発電装置の電極構成を示し、（Ａ）は正面側の説明図、（Ｂ）は背面側の説明図である。 前記圧電発電装置の電極構成を示し、（Ａ）はバイモルフ振動体の中央部での断面図、（Ｂ）はバイモルフ振動体の端部での断面図である。 前記圧電発電装置の等価回路図である。 第２実施例である圧電発電装置を構成するバイモルフ振動体を示し、（Ａ）は平面展開図、（Ｂ）はその断面図である。 第２実施例である圧電発電装置を示す概略構成図である。 第３実施例である圧電発電装置を構成するバイモルフ振動体を示す平面展開図である。 バイモルフ振動体の第１変形例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 バイモルフ振動体の第２変形例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 バイモルフ振動体の第３変形例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。 バイモルフ振動体の第４変形例を示す正面図である。 バイモルフ振動体の前記第１変形例の説明図である。 バイモルフ振動体の前記第４変形例の説明図である。 バイモルフ振動体における表面応力分布を示すグラフである。
　以下、本発明に係る圧電発電装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各図面において、同じ部材、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
　（第１実施例、図１～図５参照）
　第１実施例である圧電発電装置は、複数の板状のバイモルフ振動体１０がその厚み方向に重ねられ、かつ、厚み方向に互いに隣接するバイモルフ振動体１０が同じ側の端部で交互に連結又は固定されている。実施形態としては、例えば、図１に示すように、４枚の板状をなすバイモルフ振動体１０をその厚み方向に重ね、１段目と２段目及び３段目と４段目のバイモルフ振動体１０は互いの一端部１０ａを連結部材２１，２３を介して連結又は固定され、２段目と３段目のバイモルフ振動体１０は互いの他端部１０ｂを連結部材２２を介して連結又は固定されている。即ち、本圧電発電装置は、複数枚（４枚）のバイモルフ振動体１０をつづら折りに積み重ねしたものである。
　１段目のバイモルフ振動体１０の他端部１０ｂには部材２５が固定され、この部材２５が本圧電発電装置の固定部とされている。４段目のバイモルフ振動体１０の他端部１０ｂには連結部材２７を介して梁部材２６の他端部２６ｂが連結又は固定され、この梁部材２６には部材２７を介して錘３０が連結されている。錘３０は空間部の有効利用を図るために、積み重ねされたバイモルフ振動体１０を取り囲む形状が好ましく、密度の大きな金属あるいはセラミックを素材とすることが好ましい。
　それぞれのバイモルフ振動体１０は、図２（Ａ）に示すように、靭性を有する板状をなす基板１１の表裏面に圧電体１２，１３が接合されており、表面の圧電体１２は基板１１の一端から中央部分に向かって延在して他端に達することはなく、裏面の圧電体１３は基板１１の他端から中央部分に向かって延在して一端に達することはない。即ち、基板１１の全長Ｌに対して圧電体１２，１３の長さＬ１，Ｌ２は、Ｌ＞Ｌ１、Ｌ＞Ｌ２の関係にある。
　基板１１は、圧電体１２，１３とほぼ同等の曲げこわさ（ヤング率×断面２次モーメント）を有し、靭性の大きな材料からなり、例えば、鉄ニッケル合金、ステンレス、真鍮などの金属材料を用いることが好ましい。圧電体１２，１３は従来から用いられているセラミック焼結体からなり、矢印ａ，ｂで示すように互いに逆方向に分極されている。また、部材２５，２７、梁部材２６、連結部材２１～２４の素材は任意であるが、基板１１と同じ素材であってもよい。
　最上部に位置する部材２５を固定部として錘３０に外力（振動）が作用すると、該振動は４段目のバイモルフ振動体１０から上段のバイモルフ振動体１０へと伝達されて全体的に振動し、以下に説明する電極１５，１６から電力が取り出される。このとき、各バイモルフ振動体１０において、基板１１が図２（Ｂ）に示すように基板１１の中央部分を境に正負が異なる曲率を持つように湾曲し、基板１１の曲率中心側に配置される各圧電体１２，１３には圧縮応力が支配的に作用する。特に、両端部分が連結又は固定される基板１１においては、基板１１に加わる曲げモーメントの値が基板１１の中央部分で正負反転されやすくなるため、各圧電体１１，１２には圧縮応力がより支配的に作用する。
　セラミック焼結体からなる圧電体１２，１３は、この種の圧縮応力に対しては十分な耐性を有し、破壊からまぬかれる。また、複数の短冊状をなすバイモルフ振動体１０をつづら折りに積み重ねられているつづら折り構造であるため、小型で必要な電力を取り出すことが可能である。つづら折り構造では、１段目のバイモルフ振動体１０には錘３０と２段目以下のバイモルフ振動体１０の重量が固定部材２５に集中的に加重され、２段目のバイモルフ振動体１０には錘３０と３段目以下のバイモルフ振動体１０の重量が加えられる。つまり、発電に積み重ね部分そのものの質量を利用でき、発電体積効率が向上する。
　換言すれば、本第１実施例ではつづら折り構造であるため、低周波振動であっても必要な電力を発生させることができる。一般的に自然界に存在する振動周波数は非常に低く、例えば、歩行に伴う振動周波数は数十Ｈｚ以下である。それゆえ、本第１実施例では歩行計の電源装置として好適に用いることができる。
　ここで、前記圧電発電装置における電極構造について図３～図５を参照して説明する。各バイモルフ振動体１０は、基板１１の表裏に接合した圧電体１２，１３に電極１５，１６を設けることにより、該電極１５，１６から電力を取り出す。各バイモルフ振動体１０には、図３（Ａ），（Ｂ）に斜線を付して示すように、正面側及び背面側に電極１５，１６を設け、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、各圧電体１２，１３の表面及び基板１１の表面に電極１５，１６を延在させている。また、電極１５とバイモルフ振動体１０との間には絶縁材１７が介在されている。
　電極１５，１６によって形成される回路は、図５に示すとおりであり、各圧電体１２，１３を直列に接続した等価回路として構成されている。なお、各圧電体１２，１３を並列に接続した等価回路として構成してもよい。
　（第２実施例、図６及び図７参照）
　第２実施例である圧電発電装置は、図６の展開図に示すように、４枚のバイモルフ振動体を構成する１枚の基板４１（材料は第１実施例と同じ）の表裏面に圧電体１２，１３を所定の間隔で接合し、該基板４１を一点鎖線で示す部分で折り曲げ、図７に示すつづら折り構造としたものである。電極１５，１６は基板４１の表裏面に圧電体１２，１３の表面を覆うように設けられている。図６（Ａ）では、表面電極１５に斜線を付して示しており、裏面電極１６は表面電極１５と平面的には重なっている。
　そして、図７に示すように、基板４１の上端部に固定部となる部材２５を固着し、基板４１の下端部に部材２７を介して錘３０を固着する。なお、１単位となるバイモルフ振動体における基板の長さＬ及び圧電体の長さＬ１，Ｌ２の関係は図２（Ａ）を参照して説明したとおりである。
　本第２実施例では、１枚の基板４１を複数個所で折り曲げることにより、結果的に、前記第１実施例と基本的には同じつづら折り構造としている。従って、その作用効果は第１実施例と同様である。また、電極１５，１６によって形成される回路も図５に示した等価回路と同様である。
　（第３実施例、図８参照）
　第３実施例である圧電発電装置は、図８の展開図に示すように、１段目となる基板部５１ａ及び２段目となる基板部５１ｂが一端部で連続しており、２段目となる基板部５１ｂ及び３段目となる基板部５１ｃが他端部で連続しており、３段目となる基板部５１ｃ及び４段目となる基板部５１ｄが一端部で連続している。さらに、４段目となる基板部５１ｄと錘を取り付けるための梁部５１ｅが他端部で連続している。このような構成からなる基板５１をそれぞれの連続部分で一点鎖線を中心として折り曲げることにより（連続部は山折り、連続部は谷折り）、結果的に、前記第１実施例及び第２実施例と基本的には同じつづら折り構造となる。
　電極１５，１６は、基板５１の表裏面に圧電体１２，１３の表面を覆うように設けられている。図８では、表面電極１５に斜線を付して示しており、裏面電極１６は表面電極１５と平面的には重なっている。また、基板５１の材料は第１実施例と同じであり、１単位となるバイモルフ振動体における基板の長さＬ及び圧電体の長さＬ１，Ｌ２の関係も図２（Ａ）を参照して説明したとおりである。
　本第３実施例においても、１枚の基板５１を複数個所で折り曲げることにより、結果的に、前記第１実施例と基本的には同じつづら折り構造としている。従って、その作用効果は第１実施例と同様である。また、電極１５，１６によって形成される回路も図５に示した等価回路と同様である。
　（バイモルフ振動体の変形例、図９～図１２参照）
　前述したバイモルフ振動体１０は、均一な幅を有し、かつ、均一な厚みの基板１１、圧電体１２，１３を備えたものである。但し、このような形状以外に以下に示す形状のバイモルフ振動体１０を用いてもよい。
　図９に示す第１変形例は、基板１１の両側面を中央部分に向かって直線的に幅狭としたもので、圧電体１２，１３も基板１１の側面形状に沿って中央部分に向かって幅狭とされている。図１０に示す第２変形例は、基板１１の両側面を中央部分に向かって湾曲した状態で幅狭としたもので、圧電体１２，１３も基板１１の側面形状に沿って中央部分に向かって幅狭とされている。
　図１１に示す第３変形例は、基板１１は均等な幅を有し、圧電体１２，１３の厚みを両端部に向かって徐々に厚くしたものである。図１２に示す第４変形例は、基板１１の厚みを両端部分に向かって徐々に厚くしたものであり、圧電体１２，１３の厚みは均一である。
　前記第１～第４変形例は、いずれも、バイモルフ振動体１０の剛性が両端部分において中央部分よりも相対的に大きくなるように（逆に言えば、中央部分の剛性が相対的に小さくなるように）構成している。これにて、基板１１に振動が作用した際に、一様な応力が発生することになる。
　前述のように基板の厚み、長さ、幅を変えていくことに加えて、基板の両端部から中央部にかけて断面２次モーメントを徐々に小さくしていくようにしてもよい。図１３には基板１１の幅寸法を中央部に向かってＷからＷｃｔへと徐々に細くしていく形状を示す。また、図１４には基板１１の厚み寸法を中央部に向かってＴからＴｃｔへと徐々に薄くしていく形状を示す。
　前述のように、バイモルフ振動体１０の剛性を変化させれば、各層における応力を均等化できる。但し、各層（バイモルフ振動体１０）においては単純な短冊状（中央部絞りなし）であれば、図１５の曲線ｃに示すように、正負が逆（一端が圧縮応力の場合、他端は引張り応力）で中央部分で０になる応力分布を示し、両端部分に応力が集中する傾向にある。そこで、基板の長さ方向各点における応力と、その点における断面２次モーメントを比例させることにより、各バイモルフ振動体１０での長さ方向に対して応力をほぼ均等にすることができる。図１５の曲線ｄは図１３に示したように中央部分に絞りを設けた場合の応力分布を示している。これにて、バイモルフ振動体１０の発電活性領域において応力がほぼ均等になり、発電効率が向上する。
　（他の実施例）
　なお、本発明に係る圧電発電装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。
　例えば、バイモルフ振動体は任意の個数のものをつづら折りに積み重ねることができ、基板や圧電体の細部の形状あるいは電極の構成は任意である。また、バイモルフ振動体は２枚のみで構成してもよい。互いに一端部で連結して重ねられた２枚のバイモルフ振動体を複数個並置することにより、発電量を大きくすることができる。
　以上のように、本発明は、圧電発電装置に有用であり、特に、小型で必要な電力を取り出すことができ、かつ、大きな変位に耐え得る点で優れている。
　１０…バイモルフ振動体
　１１，４１，５１…基板
　１２，１３…圧電体
　１５，１６…電極
　２５…固定部材
　３０…錘

Claims (7)

  1. 　少なくとも２枚の板状をなすバイモルフ振動体をその厚み方向に重ね、対向するバイモルフ振動体の一端部を互いに連結した圧電発電装置において、
    　前記それぞれのバイモルフ振動体は、靭性を有する板状をなす基板と、該基板の表裏面に接合された圧電体とからなり、
    　一方の圧電体は前記基板の一端から中央部分に向かって延在して他端に達することはなく、他方の圧電体は前記基板の他端から中央部に向かって延在して一端に達することはないこと、
    　を特徴とする圧電発電装置。
  2. 　ｎ枚の板状をなすバイモルフ振動体をその厚み方向に重ね、ｍ段目（ｍは１～ｎ－１）のバイモルフ振動体の一端部をｍ＋１段目のバイモルフ振動体の一端部に連結し、ｍ＋１段目のバイモルフ振動体の他端部をｍ＋２段目のバイモルフ振動体の他端部に連結した圧電発電装置において、
    　前記それぞれのバイモルフ振動体は、靭性を有する板状をなす基板と、該基板の表裏面に接合された圧電体とからなり、
    　一方の圧電体は前記基板の一端から中央部分に向かって延在して他端に達することはなく、他方の圧電体は前記基板の他端から中央部に向かって延在して一端に達することはないこと、
    　を特徴とする圧電発電装置。
  3. 　前記バイモルフ振動体はその中央部分よりも両端部分の剛性が高いこと、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電発電装置。
  4. 　前記バイモルフ振動体は各段ごとに分割されており、それぞれの一端部及び他端部は連結部材にて連結されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電発電装置。
  5. 　前記バイモルフ振動体は一方向に連続する基板によって構成され、各段ごとに折り曲げられていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電発電装置。
  6. 　前記バイモルフ振動体は厚み方向に隣接する基板が一端部又は他端部で平面上で連続した状態で構成され、各段ごとに該連続部分で折り曲げられていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電発電装置。
  7. 　最上段に位置するバイモルフ振動体が固定部とされ、最下段に位置するバイモルフ振動体に錘が連結されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電発電装置。
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